เริ่มต้นกับฟิสิกส์

บทความนี้ต้องการสื่อสารไปยังผู้เริ่มต้นเรียนรู้ฟิสิกส์ (ม.4)

รากฐานของฟิสิกส์ และควรเป็นจุดเริ่มต้นการเรียนฟิสิกส์จะเกี่ยวข้องกับการวัด การวัดก็คือกระบวนการที่ได้มาซึ่งตัวเลขที่ใช้บอกขนาดของสิ่งที่ต้องการ ตัวเลขที่ได้มาต้องมีหน่วยไม่ใช่นั้นก็เถียงกันตายเมื่อใช้หน่วยของการวัดไม่เหมือนกัน หน่วยของไทยก็มี หน่วยของสากลก็มือบางชุมชนในประเทศไทยเองก็มีหน่วยของตนเองเหมือนกัน ดังนั้นเพื่อให้สื่อสารตรงกัน จึงต้องมีการตกลงกันว่าจะใช้หน่วยอะไรสำหรับการวัดปริมาณหนึ่งๆ

ระบบหน่วยที่เราเคยใช้กันมา เช่น CGS (มาจากคำว่า centimeter-gram-second) นี่ก็เคยใช้กันมากระยะหนึ่ง หน่วย MKS (Meter-Kilogram-Second) ก็ใช้เป็นมาตรฐานของหลายๆแห่ง หรือถ้าใช้หน่วยตามระบบของอังกฤษก็จะพบ FPI (foot-pound-inch) การวัดปริมาณต่างๆ จึงต้องมาตกลงกันว่าเราจะใช้ระบบหน่วยแบบใดในการวัด ซึ่งระยะหลังๆ มานี่หลังจากที่มีการพูดคุยกันในระดับโลก ก็มีการกำหนดระบบหน่วยมาตรฐานขึ้นมา เรียกว่า SI ให้ใช้ร่วมกัน

การวัดมูลฐานที่สุด ในทางฟิสิกส์กำหนดไว้ 7 ปริมาณ แต่จะกล่าวถึงตรงนี้ก่อน 3 ปริมาณ เพื่อให้เพียงพอต่อการนำไปใช้อธิบายปรากฏการณ์ง่ายๆ เบื้องต้นก่อน ส่วนปริมาณที่เหลือหากนักเรียนสนใจ ลองเปิดหนังสือฟิสิกส์เบื้องต้นดู ในบทแรกๆ เดี๋ยวก็พบ 3 ปริมาณที่ว่านี้คือ

1. หน่วยสำหรับวัดระยะ ในประเทศไทยเราอาจเคยได้ยินคำว่า "คืบ" "ศอก" "วา" "เส้น" นั่นแหละครับ หน่วยวัดระยะที่กล่าวถึงในข้อนี้ แต่ถ้าเป็นหน่วย SI เราใช้เมตรครับ แต่หลายๆ ครั้งตอนที่เราเรียนประถมศึกษา อาจเจอทั้ง เซนติเมตร นิ้ว ปนๆ กันไป ซึ่งตอนคำนวณเราจะมาเรียนรู้การแปลงหน่วยเหล่านี้กัน
2. หน่วยวัดขนาดของมวล ในประเทศไทยเราหน่วยมวลโบราณไม่แน่ใจเราใช้อะไร แต่หน่วยในระบบ SI ใช้เป็นกิโลกรัม หน่วยที่ใช้ได้และไม่ตรงตามระบบเอสไอ ก็เช่น ปอนด์ กรัม เป็นต้น
3. หน่วยวัดเวลา ในประเทศไทยโบราณเราเจอคำว่า "อีดใจ" "ชั่วหม้อข้าวเดือด" ซึ่งก็พอสื่อสารได้ แต่ความแม่นยำคงใช้ไม่ได้เพราะแตกต่างกันแน่นอน ลองดูหน่วย SI บ้าง เขาให้เราใช้วินาที

เครื่องมือที่ใช้วัดก็เป็นอีกเรื่องหนึ่งที่การเรียนรู้ในทางวิทยาศาสตร์ เพราะมีอย่างหลากหลายให้เลือกใช้ เช่น ไม้บรรทัด ไม้เมตร เทปวัดความยาว เครื่องชั่งมวล นาฬิกาจับเวลา เป็นต้น เหล่านี้ผู้เรียนฟิสิกส์ก็จำเป็นต้องเรียนรู้และมีทักษะในการวัด แต่เข้าใจว่าการเรียนวิทยาศาสตร์ในระดับชั้นประถมศึกษาหรือมัธยมศึกษาตอนต้นก็คงเคยเรียนรู้กันมาบ้างแล้ว ซึ่งบทความนี้จะไม่ลงรายละเอียด

การบันทึก

เครื่องมือวัด จะมาพร้อมหน่วยที่เกี่ยวข้อง เช่น ไม้บรรทัดที่วัดระยะจะมีหน่วยที่ใช้คือ เซนติเมตรด้านหนึ่ง แล้วก็นิ้วอีกด้านหนึ่ง ผู้ใช้ก็เลือกเอาว่าจะใช้หน่วยอะไรในการวัด เมื่อนำไปวัดก็ได้ตัวเลขออกมา คราวนี้ก็มาถึงการสื่อสารหรือบอกกล่าวไปยังคนอื่น ซึ่งมี 2 อย่าง คือ การเขียน และการพูด ซึ่งก็จะใช้หลักเดียวกัน แต่ถ้าให้ยาวนานบอกได้หลายๆ คนโดยไม่เมื่อยหลายๆครั้งก็ต้องเป็นการเขียน หรือการบันทึกนั่นเอง

การบันทึกตัวเลขก็มีหลักเกณฑ์ของมันอยู่ เพราะว่าสิ่งที่เราจะไปวัดในธรรมชาติมีขนาดที่แตกต่างกันอย่างมาก ลองนึกถึงขนาดของเม็ดดิน หรือขนาดของประเทศไทย เราอาจจะเห็นว่ามันแตกต่างกันมาก แต่นี่ยังเทียบไม่ได้กับการวัดขนาดของอะตอมเทียบกับขนาดของเอกภพหรือจักรวาล ดังนั้นการบันทึกตัวเลขจึงต้องมีหลักเกณฑ์บันทึก และต้องเรียนรู้ให้เข้าใจซะด้วย ลองดูง่ายๆ ก่อน สมมติว่ามีคนถามว่ามวลของอิเลกตรอน(เป็นชื่อเรียกของอนุภาคเล็กๆ ที่เป็นพื้นฐานสรรพสิ่งตัวหนึ่ง) ว่ามีค่าเท่าไร ในหน่วยกิโลกรัม ลองมาดูคำตอบ

ตอบ  0.00000000000000000000000000000091 kg

แล้วเราจะบันทึกกันอย่างที่เห็นอย่างนั้นหรือ คำตอบก็คือได้ก็คงไม่เหมาะเพราะเสียเวลามานับเลขศูนย์กันมากเกินไป ก็เลยปรับเขียนเสียใหม่ โดยใช้หลักคณิตศาสตร์เข้ามาช่วย เขียนใหม่ได้ว่า
          9.1x10^-31  kg
การเขียนอย่างหลังนี้ เราเรียกว่า การเขียนแบบวิทยาศาสตร์ ซึ่งพยายามที่จะบันทึกตัวเลขให้อยู่ในรูป ax10ⁿ เช่น ถ้าเราวัดความกว้างของช้อนได้เป็น 0.025 เมตร เราก็จะเขียนเป็น 2.5x10^-2 m ซึ่งหลักการเขียนในรูปแบบนี้ หากใครยังไม่สันทัดก็ขอให้ดูตัวอย่างที่แสดงให้ดูข้างล่างนี้ หากยังไม่เข้าใจออีก ก็รบกวนนักเรียนให้สอบถามครูสอนฟิสิกส์ที่โรงเรียนนะครับ

8900000000 เขียนในรูปวิทยาศาสตร์ได้ คือ 8.9x10⁹
102000 เขียนในรูปวิทยาศาสตร์ได้ คืออ 1.02x10⁵
0.000000000067 เขียนในรูปวิทยาศาสตร์ได้ คืออ 6.7x10^-11

การเขียนตัวเลขทางวิทยาศาสตร์นอกจากจะทำให้เราสื่อสารกันง่ายและชัดเจนแล้ว สิ่งสำคัญประการหนึ่งก็คือ ตัวเลขที่อยู่ด้านหน้ายังสามารถบอกได้อีกว่า การวัดที่ได้มานั้น มีความละเอียดมากน้อยเพียงใด นักเรียนลองดูตัวเลข 2 ชุดต่อไปนี้

กนกวัดขนาดความกว้างของโต๊ะได้  6.7x10^-1 เมตร
บุษบาวัดขนาดความกว้างของโต๊ะได้  6.71x10^-1 เมตร

นักเรียนจะเห็นว่า กนกกับบุษบาวัดขนาดโต๊ะเหมือนกัน แต่ตัวเลขที่ได้แตกต่างกันเล็กน้อย หากทั้งคู่เป็นเป็นผู้วัดที่มีคุณภาพ ในทางวิทยาศาสตร์จะบอกว่าบุษบาใช้เครื่องมือที่ละเอียดกว่ากนกใช้ ความละเอียดของเครื่องมือจะระบุออกมาในรูปของจำนวนตัวเลขที่มากกว่า ซึ่งจำนวนตัวเลขที่ได้นี่เราเรียกว่า "เลขนัยสำคัญ" แค่นี้นักเรียนก็จะเห็นว่า การบันทึกไม่ใช่สักแต่ป้อนตัวเลขเท่านั้น เพื่อให้การสื่อสารเป็นที่เข้าใจกัน นักเรียนก็ต้องเรียนรู้หลักเกณฑ์ต่างๆ ของการสื่อสารด้วย เหมือนกับที่นักเรียนไปในต่างถิ่น ที่นักเรียนต้องเรียนรู้ภาษาและวัฒนธรรมของเขานั่นเอง

สรุปก็คือว่า การบันทึกตัวเลขในทางวิทยาศาสตร์จากการอ่านเครื่องมือวัด ก็มีรูปแบบ หลักเกณฑ์หรือจะเรียกว่า มันมีวัฒนธรรมของมันเหมือนกัน ซึ่งเป็นอีกเรื่องที่เราต้องเรียนรู้

การแปลงหน่วย

ดังที่กล่าวมาแล้ว ระบบหน่วยมีอยู่อย่างมากมายในโลกนี้ แล้วก็ใช้ปะปนกันไปหมด ซึ่งในชีวิตประจำวันทั่วไปก็ไม่ใช่เรื่องเสียหายอะไร หากสื่อสารกันรู้เรื่องและเข้าใจกัน แต่ในทางวิทยาศาสตร์แล้ว เราจำเป็นต้องพูดภาษาเดียวกันและพูดให้เป็นระบบ และภาษาหรือระบบนั้นต้องได้รับการยอมรับเพราะเราไม่ได้สื่อสารแค่ชุมชนของเราเท่านั้น แต่บางทีเราต้องสื่อสารกับคนทั้งโลก เพราะว่าความรู้ทางวิทยาศาสตร์ถือเป็นสมบัติของมนุษยชาติร่วมกัน เมื่อใครได้ความรู้ก็จะมาแลกเปลี่ยนแบ่งปันกัน ดังน้นเราจึงต้องมาเรียนรู้เกี่ยวกับการแปลงหน่วยกัน แต่บางครั้งเครื่องมือวัดที่เราใช้อาจไม่เอื้อ หรืออาจใช้ระบบหน่วยบางหน่วยไม่สะดวก เราก็จะอาศัยการแปลงหน่วยเพื่อให้เข้าใจสิ่งที่ผู้อื่นบันทึกไว้ หรือพูดถึงไว้ และนี่คือสิ่งที่ผู้เรียนฟิสิกส์ ต้องรู้

1 เมตร(m) = 100 เซนติเมตร(cm) = 1000 มิลลิเมตร(mm)
1 กิโลเมตร(km) = 1000 เมตร(m)
1 นิ้ว(in)= 2.54 เซนติเมตร(cm)
1 m =  39.37 in (ละภาษาไทยไว้ ในฐานที่นักเรียนคุ้นเคยกับหน่วยย่อเหล่านี้แล้ว)
1 ไมล์(mile)=5280 ฟุต(ft) = 1.609 km
1 วา = 2 m

1 กิโลกรัม(kg) = 1000 กรัม(g)
1 kg = 2.24 ปอนด์(pound)

1  นาที(min)  = 60 วินาที(s)
1 ชั่วโมง(hr) = 60 นาที(min) = 3600 วินาที(s)

ตัวอย่างเช่น 1 km มีกี่ cm ก็จะได้ว่า 1 km มี 1000 m และ 1 m ก็คือ 100 cm ดังนั้น 1 km = 1000x100 cm = 100000 cm หรือ 10⁵ cm นักเรียนควรไปหาตัวอย่างโจทย์ปัญหาทำเยอะๆ นะครับ จะได้คล่องแคล่ว เพราะเราจะได้ใช้บ่อยๆ ในการเรียนฟิสิกส์

หรือ 38 นิ้ว (ส่วนบนของดาวยั่ว) นี่มันกี่เซนติมตร ก็ลองดู  เพราะว่า 1 นิ้ว = 2.54 cm ดังนั้น 38 in = 38 in x 2.54 (cm/in) เอาไปกดเครื่องคิดเลขดูจะได้ = 96.52 cm ก็เกือบๆ เมตร (เพราะว่า 1 m = 100 cm)

หรือ ครึ่งชั่วโมงมีกี่วินาที ก็จะได้ว่า ครึ่งชั่วโมงมี 30 min และ 1 min = 60 s ดังนั้น ครึ่งชั่วโมงมีค่าเท่ากับ 30x60 = 1800 s 

อันที่จริงมีหน่วยมากกว่านี้มาก แต่เราค่อยๆ เริ่มจากง่ายๆ เหล่านี้ก่อนเพื่อเป็นแนวคิดเบื้องต้น ลองหาขนาดที่เราพบเห็นในชีวิตประจำวันแปลงหน่วยเล่นๆ ดู ก็จะได้ความรู้แตกแขนงออกไปอีก

ลองมาดูไอ้ที่มันซับซ้อนขึ้น เช่น หน่วยของอัตราเร็ว ซึ่งเป็นการนำเอาหน่วยของระยะทางเทียบกับเวลา เช่น ขับมอเตอร์ไซต์ดูหน้าปัดมันชี้ที่ 60 หน่วยที่หน้าปัดบอกว่า km/hr ลองแปลงดูซิว่ามันกี่เมตร/วินาที ลองดู
แปลงกิโลเมตร ให้เป็นเมตรก่อน 1 km=1000 m  ฉะนั้น 60 km/hr = 60x1000 m/hr = 60000 m/hr
ตอนนี้เราได้หน่วยข้างบนเหมือนที่ต้องการแล้ว เหลือทำชั่วโมง(hr) ให้เป็นวินาที (s) ก็จะได้ 1 hr = 3600 s เอาไปแทน hr เลยก็จะได้
60000 m/hr = 60000 m/3600 s = 600/36 m/s = 16.67 m/s

ถ้าอดทนอ่านมาถึงตรงนี้ได้ ก็แปลว่าพอรู้เรื่อง เพราะถ้าไม่รู้เรื่องคงไม่อ่านมาถึงบรรทัดนี้ ก็คงจะจบเริ่มต้นกับฟิสิกส์ไว้แค่นี้ก่อน ถ้ายังขยันอยู่ก็แนะนำให้ลองหาตัวเลขกับหน่วยที่เราพบในชีวิตประจำวันลองแปลงเล่นๆ ดู เช่น เรือแล่นด้วยอัตราเร็ว 10 น็อต เนี่ยมันกี่เมตรต่อวินาที อะไรอย่างนี้เป็นต้น

หากมีอะไรติชม หรือคำถาม ก็ทิ้งคำข้อความไว้ได้ที่ท้ายบล็อกนี้